Spintronik bei Raumtemperatur – Elektrolumineszenz einzelner Defekte und spinabhängiger Ladungstransport

Atomare Verunreinigungen in Diamant lassen sich mit einer Präzision von wenigen Nanometern positionieren, als einzelne Defekte nachweisen deren Elektronenspins sich kohärent steuern lassen, und sich durch eine besonders lange Kohärenzzeit selbst bei Raumtemperatur auszeichnen. Kohärente Spinmanipulationen bei Raumtemperatur, Kopplung mehrerer Spins zu Quantenregistern, sowie nicht-destruktives Auslesen eines einzelnen Kernspins konnten unlängst realisiert werden. Bisher sind die Quantenzustände einzelner Defekte ausschließlich optisch ausgelesen worden und Defekte nicht in komplexe nanoskopische Kontrollstrukturen eingebettet worden. Für die Integration zu skalierbaren Quantenregistern und deren Kopplung an komplexe klassische Kontrollstrukturen ist die Realisierung elektrischen Auslesens und Anregens einzelner Defektspins von zentraler Bedeutung.

In diesem Projekt soll die elektrische Anregung einzelner Defekte und das elektrische Auslesen einzelner Defektspins untersucht und optimiert werden. Ziel soll es zunächst sein, Defekte elektrisch anzuregen und deren Elektrolumineszenz nachzuweisen. Dazu sollen einzelne Defekte in den ultra-reinen Teil (i-Diamant) einer p-i-n Diamant-Diode eingebracht werden, die dann durch Focused Ion Beam (FIB) und Plasma-Ätztechnologie in optoelektronische Diamantstrukturen („Pfosten“ mit Durchmesser von 200 bis 600 nm und Längen zwischen 300 und 1000 nm) eingebracht werden. In einem ersten Schritt sollen diese elektrisch zur Lichtemission angeregt und deren Einzelphotonenemission charakterisiert werden. In einem weiteren Schritt soll das elektrische Auslesen des Spinquantenzustands einzelner Defekte untersucht bzw. erreicht werden. Dazu sollen einzelne Defekte gezielt in den durch H-Terminierung entstehenden, wenige Nanometer dicken, oberflächenleitenden Bereich von In-Plane-Gate Transistorstrukturen implantiert und aktiviert werden. Physikalisch sollen die Mechanismen der spinabhängigen Ladungsträgerrekombination untersucht werden.